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44 Bionik Forschung
Die Natur als Vorbild
Die Bionik hat sich als interdisziplinäres Forschungsgebiet einen festen Platz in der Wissenschaft erobert,
interessant für Naturwissenschaftler, Architekten, Philosophen, Soziologen, Designer und vor allem Ingenieure.
Auch Wissenschaftler der TU Hamburg holen sich für ihre neuen Technologien Anleihen aus Flora und Fauna. Was
man vom Kongo-Rosenkäfer und Gecko, Bambusstängel und Zahnschmelz lernen kann, darüber berichtet
Birk Grüling im folgenden Beitrag.
Käfergelenke als Vorbild
Der Kongo-Käfer ist ein eher durchschnittlicher
Vertreter seiner Gattung.
Er besitzt keine besonderen
Eigenschaften, die Biologen verzücken
könnten. Auch vom Aussterben ist der
Pachnoda marginata nicht bedroht. Nur
Terrarien-Freunde benutzen die Larven
des kaum 25 Millimeter großen Käfers zur
Fütterung ihrer Reptilien. „Der Käfer ist
anatomisch nicht auffällig und leicht zu
züchten, für unsere Forschung sind das
gute Voraussetzungen“, sagt Steffen Vagts,
Ingenieur in der Arbeitsgruppe für Anlagensystemtechnik
und methodische Produktentwicklung
unter Leitung von
Professor Josef Schlattmann. Im Fokus der
TU-Wissenschaftler stehen die Gelenke
dieses Käfers, der – wie der Name es sagt
– im Kongo, aber auch anderen Gebieten
Zentral-und Westafrikas zu Hause ist.
Alle Insekten haben sechs Beine mit je fünf
Gliedern, die durch Gelenke miteinander
verbunden sind. Die Hüfte ist dabei direkt
mit dem Körper verwachsen, danach folgen
drei unterschiedlich lange, bewegliche
Teile – der Schenkelring, der Schenkel und
die Schiene – das Bein endet schließlich
im Fuß. Ihre Beine nutzen die Insekten
nicht nur zum Laufen, sondern auch zum
Schwimmen, Graben, Springen oder dem
Einsammeln von Nahrung. „Über die mechanischen
und vor allem tribologischen
Funktionsweisen der Gelenke wissen wir
bisher nur wenig. Für die Technik ist die Erforschung
sehr interessant“, sagt Vagts.
Denn in der Wissenschaft geht man davon
aus, dass die Insektengelenke – anders als
beim Menschen – mit trockener Reibung
funktionieren – also ohne Knorpel und
Gelenkflüssigkeit sowie ohne größeren
Verschleiß durch Reibung. Um dem Geheimnis
des Käfergelenks auf die Spur zu
kommen, arbeiten Vagts und seine Kollegen
mit Biologen der Christian-Albrechts-
Universität Kiel zusammen. Im Labor
werden die Käfer-Gelenke auf bis zu 30
verschiedene Parameter analysiert. „Langfristig
wollen wir auf Basis dieser Erkenntnisse
auch Produkte entwickeln“, sagt
Vagts. Eine mögliche Anwendung könnte
zum Beispiel im Fahrzeugbau liegen: So hat
die Einzelradaufhängung eines PKW
mehrere Kugelgelenke, die nur
durch den Einsatz von – auf
der Basis von Erdöl gewonnenen
– Schmiermitteln
funktionieren.
Optimierung in der
Natur
Jedes Kilogramm eines Flugzeugs kostet
Kerosin und damit Geld. Mit entsprechend
viel Ehrgeiz suchen Forscher und
Flugzeughersteller nach Wegen, das Gewicht
der Flieger zu reduzieren. Ein Vorbild
ist ihnen dabei auch die Natur. „Ob bei
Pflanzen oder Tieren, es wird stets nur so
viel an ‚Material‘ eingesetzt, wie es nötig
ist. Davon kann man lernen“, sagt Professor
Claus Emmelmann. Besonders interessant
für den Leiter des Instituts für Laserund
Anlagensystemtechnik sind Knochen,
Bambus und Seerosenstängel: Sie sind extrem
leicht, innen hohl und trotzdem sehr
stabil. Diese Eigenschaften sind millionenfach
erprobt, ihren Machbarkeitstest
haben die Pflanzen längst bestanden. Wie
weit die Natur der Technik voraus ist, wird
auch im folgenden Beispiel sehr deutlich.
In einem Kooperationsprojekt mit dem
Flugzeughersteller Airbus untersuchten
Emmelmann und sein Team eine ganze
Reihe nicht tragender Teile eines Flugzeugs,
beispielsweise Halterungen oder
Gepäckablagen. „Wir berechneten mit
Hilfe der Finite-Elemente-Methode die
maximale Belastung, denen diese Teile ausgesetzt
sind und konstruierten dementsprechend
und nach dem aktuellen Stand
der Technik neu“, beschreibt Emmelmann.
Als nächstes verglichen die Wissenschaftler
ihre neuen Konstruktionen mit Struk-